Language
Country/Area
No result found
Как топологические изоляторы меняют наше понимание материалов с «скрученными» энергетическими зонами?
С быстрым развитием материаловедения топологические изоляторы (ТИ) привлекают все большее внимание научного сообщества. Свойства этих материалов сильно отличаются от традиционных изоляторов. Внутренняя часть действует как изолятор, но поверхность проводит электричество, а это означает, что электроны могут перемещаться только по поверхности материала. Это своеобразное физическое свойство проистекает из так называемого явления «искажения» в структуре энергетических зон, которое изменило наше базовое понимание материи.
Топологические изоляторы имеют скрученную ленточную структуру, которая создает проводящее состояние твердой поверхности, что отличает их от обычных изоляторов.
Топологические изоляторы могут существовать, потому что между их валентной зоной и зоной проводимости существует очевидная энергетическая щель. Однако это свойство не означает, что они могут трансформироваться друг в друга без ограничений. Только при изменении зонной структуры можно устранить эту щель и перейти в регулярное проводящее состояние. Поэтому границы между топологическими изоляторами и обычными изоляторами относительно четкие и существуют только в фазах, способных проводить электричество. Независимо от того, основаны ли эти состояния поверхностной проводимости на локальных нарушениях симметрии или на внешних воздействиях, они демонстрируют чрезвычайно высокую стабильность.
Хотя поверхностное состояние обычных изоляторов также может проводить электричество, только поверхностное состояние топологических изоляторов обладает такой прочностью.
В топологических изоляторах большой размерности поверхностные состояния обладают множеством замечательных свойств. Например, в трехмерном топологическом изоляторе с симметрией обращения времени спин поверхностного состояния синхронизирован с направлением движения, образуя так называемое явление блокировки спинового импульса. Такая ситуация сильно подавляет «U-образный» поворот процесса рассеяния и улучшает проводимость металла на поверхности.
Однако потенциал топологических изоляторов не ограничивается транспортом электронов. Поверхность этого типа материала также может поддерживать частицы Майораны. Появление этих сверхпроводящих явлений сделало топологические изоляторы горячей темой для потенциальных применений в квантовых вычислениях и технологиях спинтроники.
Эффект «большого экранирования» топологических изоляторов — ключ к будущему квантовых вычислений.
Топологические изоляторы, такие как Bi2Te3 и их сплавы, широко упоминаются именно из-за их потенциального применения в термоэлектрическом эффекте. Эти материалы обычно состоят из тяжелых элементов, которые могут эффективно снизить теплопроводность и тем самым повысить эффективность термоэлектрического преобразования. Изучая зонные формы топологических изоляторов, исследователи теперь понимают, как добиться уменьшения эффективной массы электронов в этих материалах, тем самым увеличивая проводимость на краях долины.
Перспективы изготовления и применения топологических изоляторов
Технология синтеза топологических изоляторов становится все более зрелой, включая химическое осаждение из паровой фазы металлов и органических соединений (MOCVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE). В частности, MBE, поскольку он выполняется в условиях высокого вакуума, может эффективно снизить загрязнение образца и стал основным методом получения высококачественных тонких монокристаллических пленок. Что еще более интересно, рост тонких пленок топологических изоляторов в основном зависит от сил Ван-дер-Ваальса между слоями, что делает проектирование интегральных схем на различных подложках более осуществимым.
Будущие исследования будут сосредоточены на том, как лучше контролировать процесс подготовки этих материалов и изучить их возможности в более широком спектре приложений, особенно в области сверхпроводящих материалов и квантовых компьютеров.
Сможем ли мы, более глубоко понимая свойства топологических изоляторов, разработать больше материалов для квантовых технологий?
